机电一体化课程设计说明书-洗衣机的程序控制器课程设计.doc

机电一体化课程设计学 号： 2005111325 课 程 设 计题 目： 洗衣机的程序控制器课程设计学 院： 机械工程学院 专 业： 机电一体化专业 班 级： 05机电（1）班 学生姓名： 指导教师： 职 称： 副教授 2009年 3月 8 日目录第一章硬件的设计4一、设计任务与要求4二、方案论证与比较4三、系统框图及控制面板7四、主要电路设计101.89S51单片机的扩展102. 电源电路的设计113. 时钟电路工作原理124. 复位电路工作原理122按键及显示电路的设计133.液位的检测电路的设计174.碰桶检测205欠压过压的保护电路206电机的正反转控制208. 单片机硬件资源的分配21第二章软件的设计231.系统总体流程图232.设定时序流程图243.洗涤子程序流程图264.漂洗子程序及甩干子程序流程图275.欠压中断程序流程图286.键盘扫描程序流程图287.动态显示剩余时间298.电路图309.PCB板（信号层两层）3110.元件清单33第三章、项目总结34第四章、主要参考文献34前言 家电下乡政策是深入贯彻落实科学发展观、积极扩大内需的重要举措，是财政和贸易政策的创新突破。2009年，经国务院批准，在试点的三省一市继续实施的同时，将家电销售及售后服务网络相对完善、地方积极性较高的湖南、湖北、广西、重庆等纳入推广地区范围，共计14个省、自治区、直辖市。家电下乡在各地区实施的时间统一暂定为4年。新形势下，全国范围内推广家电下乡对于扩大内需、保持经济平稳较快增长具有重要意义。家电下乡的品种包括彩电、冰箱（含冰柜）、洗衣机、手机、电脑、热水器、摩托车、空调。可以看到这次的政策对家电行业的发展起到了极大的促进的作用，洗衣机有是农村消费最多的家电产品之一，所以市场前景看好。但是这次的家电产品不同以往，有它自己的特点。第一，产品针对的是农村的用户，所以产品的操作必须简单，以适应农村人们的文化素质；第二，功能应该齐全，因为农村的人们都比较朴实，他们要求的是产品的实用、能应对各种复杂的异常情况、产品的适应范围要广。第三，产品的性能要稳定可靠，因为大部分的人们对家电这个玩意儿懂的不多，懂得怎么用就不错了。所以产品在运行过程中千万不能出什么乱子，能保证产品的所有零件有同寿命最好。所以我们这次的课程设计的洗衣机尽量向着产品操作简单、多功能、能处理多方面异常的目标靠拢。 将来，人们不仅仅是要求洗衣机的全自动化，更要求以后的洗衣机更智能、更环保、更经济。而研究者为了满足人们的需求，会使单片机和其他芯片的集成度更高、应用电路更简单、材料更环保。本课题依据时代的发展趋势，将我们所学的单片机技术知识应用于自动化控制系统中。由于水平有限，有错之处在所难免，恳请各位老师批评指正。洗衣机的程序控制器课程设计第一章硬件的设计一、设计任务与要求1. 设计并制作洗衣机控制器。控制器应有正常运行功能、循环试机功能与快速试机功能；2. 正常工作包括：进水、浸泡、洗衣、排水及甩干；3. 异常情况处理: 进水超时、排水超时、甩干碰桶及电压异常等；4. 辅助功能: 显示状态、蜂鸣及延迟操作等；5. 电源适应要求: 供电电源电压范围为 16026O V 。当电源超出其范围时 , 程控器能报警,同时能保存实时数据 , 以使电源恢复正常时接着运行；6. 水位传感器送出水位信号, 进水控制根据此信号进行；7. 具有人为设定操作时序功能；二、方案论证与比较1.控制方式的选择能实现洗衣机的控制的方式大致有：电动机驱动式、电脑控制式。电动机驱动式是早期产品控制的核心，现在多用电脑控制方式，而电脑控制方式又分为单片机程序控制和电脑模糊控制，因为我们的设计时间有限所以选择简单又实用的单片机控制方式。2. 89S51单片机口的扩展方法方案一：51系列单片本身有较强的接口能力，但在电路较复杂时，仍需要扩展。简单I/O接口的扩展所用的芯片为74系列的TTL电路，CMOS也可以。这些芯片简单，配置灵活，且成本低。常用的芯片有74LS245八双向总线收发器、74LS273八D触发器、74LS373八D锁存等。这种方法扩展的口多了，电路连线就非常的复杂。所以不选用此法。方案二：采用8255可编程并行接口扩展，8255是一个可编程并行接口芯片，主要作为外围设备与主机总线之间的I/O接口，它可以通过软件来设置芯片的工作方式，因此连接外部时不需要附加外部电路，使用非常方便。所以选择最常用且口比较多的8255芯片。3.电机、电磁阀、离合器的控制实现方案一：利用继电器方式，它是开关量输出的一种最常用的方式，通过弱电控制外界交流或直流的高压、大电流设备。单片机输出的数字信号需要经过反向、光电隔离，使继电器线圈得电，动合触电闭合，从而驱动大型负荷设备。缺点是如果控制电流小于吸合电流，此时不能可靠的工作；此外工作噪声大，因此不选用此种方式。如图所示： 方案二：利用晶闸管驱动，晶闸管是一种大功率的半导体器件，具有小功率控制大功、开关无触点等特点，在交直流电机调速系统、调功系统、随动系统中广泛应用。双向可控硅相当于两个单向晶闸管，且它们共享一个控制级，具有双向导通的能力。在实际的控制过程中晶闸管又不适宜于直接与单片机相连，需要采取隔离措施。CPU的数据线输入数字1经7406反向变为低电平，光电二极管导通，是光明三极管导通，导通电流再触发双向晶闸管导通，从而驱动负载RL。 因为开关无触点，所以工作是无噪声，这是我们所需要的，所以选择这种方式。如图所示：4.显示方式及实现显示的方式有很多，洗衣机属于小型的控制装置，所以采用最简单的发光二极管和七段数码管显示相结合的方式，发光二极管辅以文字显示洗衣机现在运行的状态；数码管主要是显示输入设定的时间和在该阶段中剩余时间完成洗涤。数码管在设定时间阶段采用简单的静态显示，因为一个按键对应一个数码管；在剩余时间显示时，选择单片机串行传输并动态显示的方式。5.键盘设计及实现因为此次设计只用到了6个键，没有必要使用矩阵式键盘，所以选择独立式按键电路，占用6个口，并以中断的方式申请处理按下的键。功能及状态的实现，采用两个键实现，方法是：预先向4为移位寄存中置1000当按键被按下时，移位寄存做左移（上移）或右移（下移）.时间设置，设置专门的时间设置键，个位、十位各一个，每按下一次做一次累加并显示。累加就不占用CPU 的时间，采用单独的74LS290异步二五十进制计数器，并配以显示电路，实现功能。三、系统框图及控制面板根据功能的要求将其设计成手自动为一体的全功能洗衣机，主要有一下五个模块：键盘输入模块、显示模块、电机的驱动模块、水位的检测模块、各种开关量的控制模块。采用AT89S51单片机作为主要控制芯片，并以8255进行口的扩展，与AD0809、74LS47、DIP等共同构建全功能洗衣机的程控器件。洗衣机的控制流程是：1.自动方式下，单片机按照默认的洗衣时间自动的进行洗衣，并将洗衣所处的状态用发光二极管显示，洗衣所剩时间用数码管显示。2.手动的方式下，手动选择相应的模块（单去污、单漂洗、单甩干等）进行有针对性的完成工作，并可以设定工作的时间。3.人为设定时序功能，可以针对不同的衣物设置洗衣各个环节的洗涤时间，然后程控器按照所设的参数进行工作，从而节约能源。1.系统框图89S518255震动传感器浑浊传感器水位检测进排水电磁阀电机正反转74LS47驱动七段数码管显示74LS290计数器CD4511驱动次功能移位寄存主功能LED显示主功能移位寄存次功能LED显示2.面板大致如下自动延时设定时序循环试机暂停电源进水中位快速试机进水高位LED个位 LED十位进水低位浸泡洗涤漂洗功能选择键甩干确认进水状态放水状态四、主要电路设计1.89S51单片机的扩展1.AT89S51简介AT89S51是低功耗、高性能的单片机，向下兼容MCS-51系列产品。现在，89S51目前已经成为了实际应用市场上新宠儿， 89S51相对于89C51增加的新功能主要是：它的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。串行写入、速度更快、稳定性更好；最大的特点是烧写电压也仅仅需要45V即可、内部有4KB在线可编程Flash存储器的单片机，无须外扩程序存储器。 2.8255芯片简介8255特性(1)一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作为CPU总线与外围的接口。(2)具有24个可编程设置的I/O口,即使3组8位的I/O口为PA口,PB口和PC口.它们又可分为两组12位的I/O口,A组包括A口及C口(高4位,PC4PC7),B组包括B口及C口(低4位,PC0PC3).A组可设置为基本的I/O口,闪控(STROBE)的I/O闪控式,双向I/O3种模式;B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定：A0,A1:地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器.当A0=0,A1=0时,PA口被选择;当A0=0,A1=1时,PB口被选择;当A0=1,A1=0时,PC口被选择;当A0=1.A1=1时,控制寄存器被选择.3.扩展电路图2. 电源电路的设计 图5.1所示为集成直流稳压电源电路的原理图，本电源电路是由集成稳压器构成的。电路可分成三部分：电源变压器部分、整流滤波部分和稳压部分。变压器原边为工频交流220V电压，经过变压后，变压器副边的电压变为交流11V，11V交流电压经过桥式整流电路整流后变为直流10V电压，直流10V电压作为CW7805的输入电压，CW7805输出+5V电压。图中D2为整流桥，它由四个整流二极管接成电桥形式。C3为滤波电容，C1用于抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可抑制电源的高频脉冲干扰。一般取0.11F。CW7805为三端固定输出集成稳压器，其输入和输出电压都为固定值，它的输入电压为+10V，输出电压为+5V。C2和C4用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。3. 时钟电路工作原理 时钟电路5.2图所示为时钟电路原理图，在AT89S51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。而在芯片内部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。 4. 复位电路工作原理 图5.3所示为复位电路原理图，复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序，并使其它功能单元处于一个确定的初始状态。本复位电路采用的是按键复位，它是通过复位端经电阻与VCC电源接通而实现的，它兼具上电复位功能。因本系统的晶振的频率6MHz，所以，复位信号持续时间应当超过4S才能完成复位操作。2按键及显示电路的设计1.功能移位实现及显示如下图所示：74LS184为四位的移位寄存，用两片就构成了一个八位的移位寄存，如果把第二片的串行输出端接到第一片的串行输入端，那么就构成了一个循环的八位移位寄存器。移动方向的控制是S1S0，01时右移10时左移。移位寄存器的初始值由8255的PA口并行输入，按键输入时既要控制移动方向的选择又要进行移位，使用两个反向器增加移位信号的传输延迟时间，让移位寄存的方式控制有效后再进行移位。显示，移位后的数据一方面可以让LED灯显示，另一方面可以送到单片机中，找到相应的功能中断程序。2.设时按键及显示的实现2.1.状态的显示考虑到IO口不够，采用最节省端口的方式串口扩展LED数码管的方法。电路中用74ls164为8位移位寄存器（串入并出），Q0-Q7为8位并行输出端，引脚A、B为串行输入端;引脚CLK为时钟输入端，利用串行通信方式0，单片机TXD引脚发送移位脉冲到CLK，RXD发送串行数据到A、B。但送数据时必须先送个位，后送十位，否则会发生十位个位交换的现象。电路图如下：其中RXD和TXD为单片机的串行接受端和发送端。2.2.设置时间时的确认显示通过按键的输入将其累加并显示出来，以下是针对一个数码管的原理框图。74LS290异步计数器CD4511数码管驱动七段数码管74LS290是一个二五十进制异步计数器，如将CLK1与Q0相连，同时以CLK0为输入端，Q3为输出端，则得到了十进制计数器。R0和R9端根据需要可以将计数器预设置为0000、1001。与同步计数器相比异步计数具有结构简单，使用方便等优点，但它的工作频率较低。在这里我们手动按键的频率比较低，刚好符合要求。数码管的驱动芯片有很多，其中CD4511是一种集锁存、译码、驱动为一体的集成芯片。BL为全灭信号，低电平有效；LT为全亮试验信号端，低电平有效。LE为片选端，高电平有效。电路图如下：3.键盘的去抖动方式选择键盘的去抖动拟定采用软件的方法:编写一个100ms的延时程序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使得键的前沿抖动消失后再检测该键的状态，如果该键仍保持闭合状态，则认为该键一稳定的按下，否则无键按下，从而消除抖动的影响。同理在检测到按键释放后，也同样的延时一段时间，以消除后沿的抖动，然后转入对该键的处理。键盘设时十位功能上移暂停设时个位功能下移确认机内的键码值为01H03H05H02H04H06H4.键盘各键功能(1)时间的设定键，包括自动档洗衣的搓洗时间和手动档搓洗、漂洗、甩干的时间。（2）循环试机，不断的执行洗衣、漂洗、甩干的步骤，时间个环节的时间间隔按实际洗衣时间比例缩小。（3）快速试机，功能与循环试机相似，只是不循环，时间间隔更短。（4）自动键，系统将按照所设定的时间完成洗衣的整个过程。（5）暂停，如果暂时的离开，又怕洗衣机运行不正常，可以用此功能，当再次按此键时，系统接着刚才的运行。（5） 进水位高中低，用于选择进水量多少，以便节约用水。（6） 浸泡，选择它可以设定浸泡时间。（7） 设定时序的功能也可以进行单洗，其它的过程时间设置为0.（8）左边的LED灯可以显示现在的状态和引导用户使用洗衣机。3.液位的检测电路的设计3.1.传感器原理 磁浮子传感器是浮力式传感器的一种。利用浮力原理，靠漂浮于液面上的浮子随液面升降的位移反映液位的变化。它以磁性浮子为测量元件，经磁耦合装置将容器内液位变化传送到现场指示器或远传。这种液位计的特点是结构简单，设计合理，显示清晰直观。主要用于中小容器和生产设备的液位或界面的测量。 磁浮子液位传感器的结构如图5-11（a）所示。在容器内自上而下插入下端封闭的不锈钢管，管内固定一长条形绝缘板2，板上紧密排列着舌簧管3和电阻4。在不锈钢管外套有一个可上下滑动的佛珠形浮子5，内中装有环行永磁铁氧体6，环行永磁体的两面分别设有N极和S极。当装有环行磁铁的浮子随液位上下移动时，由于磁力线的作用，使得处于管中的舌簧管吸合导通，而其他的舌簧管则处于开路状态。如果把不锈钢管内的所有电阻和舌簧管按图5-11（b）的原理连接，则随着液位的升降，AC间或AB间的阻值就相继改变。只要配上相应的检测电路，就可将电阻值变为标准的电流信号，从而构成液位传感器。也可以在CB间接入恒定的电压，此时A端就相当于电位器的滑点，可得到与液位高度成比例的电压信号。3.2.检测电路采用比较经济的ADC0809转换芯片，电路的连接如图。ADC0809与单片机有三种连接方式：查询方式、中断方式和等待延时方式。ADC0809与单片机的连接如下图，电路及其编程主要涉及到两个问题，启动AD转换，二是确认AD转换完成及转换数据的传送。（1） 启动AD转换从图中可以看到，已经将ADC0809的ALE与START信号连接在一起，这样使得在ALE信号的前沿写入地址信号，紧接着在其后沿就启动转换。因此启动图中的ADC0809需要下面的指令：MOVDPTR,#7FF8H;选择0通道MOVXDPTR,A；WR信号有效，启动转换（2） 转换完成的确认和数据的传送AD转换得到的是数字量的数据，这些数据应该传给单片机处理，问题是如何确认AD转换已经完成，为此有三种方式：2.1定时传送 对于AD转换器来说，转换时间是固定并且已知的，可根据此设计一个延时程序，AD转换启动后就调用这个子程序进行延时，时间一到，转换肯定结束，接着就可以传送数据了。2.2查询方式 AD转换芯片有转换完成的信号线可以查询，EOC引脚，通过软件的方式测试EOC的状态，即可知道是否完成转换，然后进行数据的传送。2.3中断方式 用表明完成转换的信号EOC作为中断请求信号，以中断的方式进行数据传送，洗衣机的程序就是采用这种方式。3.3.液位检测原理图4.碰桶检测洗衣机碰桶是因为衣物在离心桶中分布不均匀，人们可以直接观察碰桶现象，但是机子不能感受到，所以需要加装传感器。YZ-3C压电式振动传感器该传感器为周围压缩型传感器，具有体积小、重量轻、灵敏度高、频率宽、抗干扰能力强。主要是用于检测转动设备的振动。将振动转化为电压，经过AD转换，就可以与单片机的设定值进行比较，如果超出给定的振动范围，单片机经过判断后做出相应的处理。5欠压过压的保护电路欠压过压的检测任务由欠压过压继电器完成，当电压在正常的范围时，单片机的中断口接收到的是高电平，不产生中断；相反则产生中断，让单片机执行中断程序。中断程序的思想是让单片机通过P3.4口不断的检测线上的信号是否已经恢复正常，如果正常则返回中断，否则继续检测。INT0P3.416电机的正反转控制利用晶闸管驱动，晶闸管在方案论证和比较是已有说明，有诸多的优点。CPU的数据线输入数字1经7406反向变为低电平，光电二极管导通，是光明三极管导通，导通电流再触发双向晶闸管导通，从而驱动负载RL.如图所示： 电机的正反转图8. 单片机硬件资源的分配本次设计用到了单片机正常工作的硬件资源，如（连接晶振的引脚XTAL1和XTAL2，复位引脚RESET），对其它硬件资源还做了具体的安排。(1).P0口用于对8255的扩展，既作为数据线，又作为地址线。(2).P1口该口用于各个开关量的控制：P1.0作为水位检测的片选端；P1.1、P1.2控制电机的正反转；P1.3、P1.4作为浑浊传感和振动传感的信号接收端；P1.5用于对蜂鸣器的控制、P1.6、P1.7用于对进、排水电磁阀的控制。(3).P2口该口主要用于按键的检测。(4).定时/计数器使用定时器T0实现延时，再用软件计数的方法在定时基础上进行更长时间的延时以满足要求。（4）.8255PA口该口用于主功能移位寄存器数据的并行输入输出和LED状态灯的显示。(5) 8255PB口该口用于次功能移位寄存器数据的并行输入输出和LED状态灯的显示。(6) 8255PC口该口用于水位的检测。(7).专用寄存器定时器控制寄存器TCON，通过设置该寄存器中TR0位的状态来控制定时/计数器0的启动/停止；中断允许寄存器IE，通过设置该寄存器EA/ET0位的状态来设置定时/计数器0中断允许/禁止；定时/计数器工作方式寄存器TMOD，设置定时/计数器0的工作方式。第二章软件的设计1.系统总体流程图否开始初始化全自动打开水阀手动洗衣超时等待搅拌一分钟报警浸泡8分钟水到位洗衣漂洗甩干结束强力去污漂洗甩干人为设定时序按照提示选择各个环节为各个环节设定所需时间开始人为设定时序移位寄存器对初始化的代码进行移位一次2.设定时序流程图延时否是移位寄存器移位一次是中水量否移位寄存器移位一次用户输入时间，确认后读取延时时间进行存储用户确认后读取此时八位寄存代码移位寄存器移位一次大水量否是移位寄存器移位一次小水量否是用户确认后读取此时八位寄存代用户确认后读取此时八位寄存代是否洗涤是否漂洗是甩干否浸泡是用户确认后读取时间进行存储用户确认后读取时间进行存储用户确认后读取时间进行存储否用户确认后读取时间进行存储按照自动洗涤的操作并在每一步都读取指定单元的时间结束3.洗涤子程序流程图否是是否否是否是结束停机时间到否延时到否延时8分钟（浸泡）报警磁阀是否超时打开进水电磁阀关闭出水电磁阀水到位否打开进水电磁阀关闭出水电磁阀计时开始（递减）电机间隙正反转（去污）电机搅拌一分钟开始4.漂洗子程序及甩干子程序流程图开始是否设置时间根据设定的时间进行漂洗电机的正反间隙运转电机的正反间隙运转时间到否手动停止是是否否结束开始是否设置时间根据设定的时间进行甩干电机正转电机正运转时间到否手动停止是是否否结束5.欠压中断程序流程图开始启动报警检测欠压中断信号线否是否已经正常是中断结束中断入口6.键盘扫描程序流程图读入主功能移位寄存的4位数据结束调用循环试机序子程序调用快速试机序子程序调用设定时序子程序调用自动洗衣子程序=0004H?=03H?=02H?=01H?7.动态显示剩余时间开始累加所有时间存储器到TT输出显示计时开始否是是否=0输出显示TT计时时间结束8.电路图9.PCB板（信号层两层）10.元件清单DesignatorLibRefDescriptionFootprint74LS19474LS1944-Bit Bidirectional Universal Shift RegisterDIP-166MHZXTALCrystal OscillatorBCY-W2/D3.174LS4774LS1648-Bit Parallel-Out Serial Shift RegisterDIP-1474LS29074LS290Decade CounterDIP-1474LS37374LS373Octal D-Type Transparent Latch with 3-State OutputDIP-P2089S5187C51FADIP40400RRES2AXIAL-0.43041Q817DIP-482558255ADIP40ADC0809ADC-8Generic 8-Bit A/D ConverterTSSO5x6-G16MotorMotorMotor, General KindBCY-W3/D4.7C1capCapacitorBCY-W2/D3.1C2capCapacitorBCY-W2/D3.1C3CapCapacitorPOLAR0.8CD4511-0CD4511BCD-TO-7 Segment Latch/Decoder/LCD DriverDIP-16D2DiodeDefault DiodeDSO-C2/X3.3D1Bridge1Full Wave Diode BridgeE-BIP-P4/D10DPY 7-SEGAMBERCCCommon Cathhode Seven-Segment Display, Right Hand DecimalDIP-10/D14.5KA3进水Relay-SPSTSingle-Pole Single-Throw RelayDIP-P4KA4排水Relay-SPSTSingle-Pole Single-Throw RelayDIP-P4